Биология 9 класс. Общие закономерности (Мамонтов). Глава 16. Биосфера, её структура и функции. Раздел 5. Взаимоотношения организма и среды. Основы экологии. Электронная версия (ТРАНСКРИПТ). Цитаты использованы в учебных целях.
ОГЛАВЛЕНИЕ вернуться к содержанию учебника
Раздел 5. Взаимоотношения организма
и среды. Основы экологии.
Животные и растения, грибы и бактерии существуют не сами по себе, независимо друг от друга, а в тесном взаимодействии — влияют на проявления жизнедеятельности одних и сами зависят от других организмов. С момента своего появления, около 3,5 млрд лет назад, живые организмы стали оказывать значительное влияние на эволюцию земной коры и атмосферы.
Около 60 лет назад выдающийся русский учёный академик В. И. Вернадский разработал учение о биосфере — оболочке Земли, населённой живыми организмами. В. И. Вернадский выявил геологическую роль живых организмов и показал, что их деятельность представляет собой важнейший фактор преобразования минеральных оболочек планеты. Он писал: «На земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а поэтому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом». Правильнее поэтому определять биосферу как оболочку Земли, которая населена и преобразуется живыми организмами.
Глава 16. Биосфера, её структура и функции
В составе биосферы различают:
— живое вещество, образованное совокупностью организмов;
— биогенное вещество, которое создаётся в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, известняки и др.);
— косное вещество, образующееся без участия живых организмов (основные породы, лава вулканов, метеориты);
— биокосное вещество, представляющее собой общий результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов, например почвы.
Эволюция биосферы обусловлена тесно взаимосвязанными между собой тремя группами факторов: 1) развитием нашей планеты как космического тела и протекающими в её недрах химическими преобразованиями; 2) биологической эволюцией живых организмов и 3) развитием человеческого общества. Изучение биосферы, её свойств и закономерностей развития становится актуальной задачей нашего времени.
46. Структура биосферы
Вспомните! • Биогенные элементы • Макроэлементы • Микроэлементы • Свойства воды • Уровни организации живого
Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают невозможным существование живых организмов (рис. 112). Верхняя граница проходит примерно на высоте 20 км от поверхности планеты и отграничена слоем озона, задерживающим губительную для жизни коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, живые организмы могут существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы. В гидросфере земной коры организмы проникают на всю глубину Мирового океана — до 10—11 км. В литосфере жизнь встречается на глубине 3,5—7,5 км, что обусловлено температурой земных недр и уровнем проникновения воды в жидком состоянии.
Атмосфера. Газовая оболочка состоит в основном из азота и кислорода. В небольших количествах в ней содержатся диоксид углерода (0,03%) и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности земли и в водной среде. Для биологических процессов наибольшее значение имеют: кислород, используемый для дыхания и минерализации мёртвого органического вещества, диоксид углерода, участвующий в фотосинтезе, и озон, экранирующий земную поверхность от жёсткого ультрафиолетового излучения. Азот, диоксид углерода, пары воды образовались в значительной мере благодаря вулканической деятельности, а кислород — в результате фотосинтеза.
Гидросфера. Вода — важный компонент биосферы и один из необходимых факторов существования живых организмов. Основная её часть (95%) находится в Мировом океане, который занимает около 70% поверхности земного шара и содержит 1300 млн км3 воды.
Поверхностные воды (озёра, реки, болота) включают всего 0,182 млн км3, а количество воды в живых организмах составляет ничтожное количество по сравнению с этими цифрами всего 0,001 млн км3. Значительные запасы воды (24 млн км3) содержат ледники.
Большое значение имеют газы, растворённые в воде: кислород и диоксид углерода. Их содержание широко варьирует в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. В воде содержится в 60 раз больше диоксида углерода, чем в атмосфере.
Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, которая в течение геологической истории Земли выделяла большое количество водяного пара.
Литосфера. Основная масса организмов, обитающих в пределах литосферы, находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Почва включает минеральные вещества, образующиеся при разрушении горных пород, и органические вещества — продукты жизнедеятельности организмов.
Живые организмы (живое вещество). Хотя границы биосферы довольно узки, живые организмы в их пределах распределены очень неравномерно. На большой высоте и в глубинах гидросферы и литосферы организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности земли, в почве и в приповерхностном слое океана.
Общая масса живых организмов — 2,43 • 1012 т. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена зелёными растениями — продуцентами (образователями) органического вещества и на 0,8% — животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов — 93,7% всей биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше. Суммарная биомасса океана составляет всего 0,13% биомассы всех существ, обитающих на Земле.
В распределении живых организмов по видовому составу наблюдается важная закономерность. Из общего числа видов 21% приходится на растения, но их вклад в суммарную биомассу составляет 99%. Среди животных 96% видов — беспозвоночные и только 4% позвоночные, из которых лишь 10% млекопитающие.
Таким образом, среди представителей животного царства в количественном отношении преобладают формы, стоящие на относительно низком уровне эволюционного развития.
Масса живого вещества составляет всего 0,01—0,02% от косного вещества биосферы, однако оно играет ведущую роль в геохимических процессах. Вещества и энергию, необходимые для обмена веществ, организмы черпают из окружающей среды. Огромные количества живой материи воссоздаются, преобразуются и разлагаются. Ежегодно благодаря жизнедеятельности растений и животных воспроизводится около 10% биомассы.
Чтобы представить масштабы геохимической деятельности организмов, приведём некоторые цифры. Ежегодная продукция живого вещества в биосфере составляет 232,5 млрд т сухого органического вещества. За это же время в процесс фотосинтеза вовлекается 46 млрд т углерода. Для этого необходимо, чтобы 170 • 109 т диоксида углерода прореагировало с 68 • 109 т воды. В процесс жизнедеятельности ежегодно вовлекаются 6 • 109 т азота, 2 • 109 т фосфора, а также калий, кальций, магний, сера, железо и другие элементы.
Деятельность живых организмов служит основой круговорота веществ в природе.
Вопросы для повторения и задания
- Какие типы веществ выделяют в составе биосферы?
- Охарактеризуйте оболочки Земли, в которых обитают живые организмы, — атмосферу, гидросферу, литосферу.
- Чем определяются границы распространения живых организмов в биосфере?
- Сравните суммарную биомассу суши и океана.
- Какой вклад в биомассу Земли вносят растения и какой — животные?
- Составьте диаграммы распределения различных групп живых организмов на суше и в океане.
- Чем вы можете объяснить, что число 24 млн км3 (найдите его в тексте параграфа) не является постоянным? Как вы думаете, в сторону уменьшения или увеличения изменяется эта величина с течением времени? Докажите свою точку зрения.
- Почему В. И. Вернадский считал живые организмы могущественной геохимической силой?
- Согласны ли вы с утверждением, что газы, растворённые в водах Мирового океана, играют важную роль в поддержании жизни на Земле?
- Используя дополнительные источники информации, подготовьте сообщение о жизни и деятельности выдающегося российского академика В. И. Вернадского.
47. Круговорот веществ в природе
Вспомните! • Обмен веществ • Хемосинтез • Фотосинтез
Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.
Круговорот воды. Вода испаряется и воздушными течениями переносится на большие расстояния. Выпадая на поверхность суши в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делает их доступными для растений и микроорганизмов, размывает верхний почвенный слой и уходит вместе с растворёнными в ней химическими соединениями и взвешенными органическими частицами в моря и океаны (рис. 113). Циркуляция воды между океаном и сушей представляет собой важнейшее звено в поддержании жизни на Земле.
Круговорот углерода. Углерод входит в состав разнообразных органических веществ, из которых состоит всё живое. В процессе фотосинтеза зелёные растения используют углерод диоксида углерода и водород воды для синтеза органических соединений, а освободившийся кислород поступает в атмосферу. Им дышат различные животные и растения, а конечный продукт дыхания — СО2 — выделяется в атмосферу (рис. 114).
Круговорот азота. Атмосферный азот включается в круговорот благодаря деятельности азотфиксирующих бактерий и водорослей, синтезирующих нитраты, пригодные для использования растениями (рис. 115). Часть азота фиксируется в результате образования оксидов во время электрических разрядов в атмосфере. Соединения азота из почвы поступают в растения и используются для построения белков. После отмирания живых организмов гнилостные бактерии разлагают органические остатки до аммиака. Хемосинтезирующие бактерии превращают аммиак в азотистую, затем в азотную кислоту. Некоторое количество азота, благодаря деятельности денитрифицирующих бактерий, поступает в воздух. Часть азота оседает в глубоководных отложениях и на длительный срок выключается из круговорота; эта потеря компенсируется поступлением азота в воздух с вулканическими газами.
Круговорот серы. Сера входит в состав ряда аминокислот и представляет собой жизненно важный элемент. Находящиеся глубоко в почве и в морских осадочных породах соединения серы с металлами — сульфиды — переводятся микроорганизмами в доступную форму — сульфаты, которые и поглощаются растениями. С помощью бактерий осуществляются отдельные реакции окисления — восстановления. Глубоко залегающие сульфаты восстанавливаются до H2S, который поднимается вверх и окисляется аэробными бактериями до сульфатов. Разложение трупов животных или растений обеспечивает возврат серы в круговорот.
В результате деятельности человека движение многих веществ резко ускоряется, при этом в одних местах возникает недостаток, а в других — избыток каких-то веществ. Примером служит повышенный выброс SО2 в атмосферу при сжигании топлива. В окрестностях медеплавильных заводов избыток SО2 в воздухе вызывает гибель растительности вследствие нарушения процесса фотосинтеза.
Круговорот фосфора. Фосфор сосредоточен в отложениях, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. Постепенно он вымывается из них и попадает в экосистемы или вносится на поля как удобрение (рис. 116). Растения используют только часть этого фосфора; много его уносится реками в моря и снова отлагается в осадках. Вместе с выловленной рыбой на сушу возвращается примерно 60 тыс. т элементарного фосфора, добывается же ежегодно 1—2 млн т фосфорсодержащих пород. Хотя запасы фосфорсодержащих пород велики, в будущем придётся предпринимать специальные меры для возвращения фосфора в круговорот веществ.
Вопросы для повторения и задания
- В чём заключается главная функция биосферы?
- Расскажите о круговороте воды в природе.
- Участвуют ли живые организмы в круговороте воды? Если да, то дополните схему, изображённую на рисунке 113, обозначив на ней участие живых организмов в круговороте.
- Какие организмы поглощают диоксид углерода из атмосферы?
- Каким путём связанный углерод возвращается в атмосферу?
- Изобразите схематично круговорот азота в природе.
- Подумайте и приведите примеры, свидетельствующие о том, что микроорганизмы играют важную роль в круговороте серы.
- В пищевой рацион каждого человека обязательно должны входить блюда из рыбы. Объясните, почему это важно.
- Обсудите в классе, как изменился бы круговорот веществ в природе, если бы на планете исчезли все живые организмы.
48. История формирования природных сообществ живых организмов
Вспомните! • Континенты • Острова • Климат
Вся суша подразделяется на крупные области, называемые материками или континентами: Евразию, Африку, Северную Америку, Южную Америку, Австралию, Антарктиду. Растительный и животный мир континентов сильно различается. Чем это объяснить? Известно несколько факторов, обусловливающих несходство растительного и животного населения в тех или иных областях земного шара.
Первый из них — геологическая история материков (рис. 117). Сотни миллионов лет назад континентов не было и суша представляли единый суперконтинент — Пангею. Впоследствии Пангея раскололась на несколько частей, которые начали медленно расходиться в стороны.
Около 200 млн лет назад, в триасовый период мезозойской эры, этот единый суперматерик раскололся и часть его двинулась на юг. Эта часть включала будущие Антарктиду, Австралию, Индию, Африку и Южную Америку. Продолжающиеся подвижки и разломы земной коры на протяжении юрского и мелового периодов привели к выделению от дельных континентов. Северная Америка и Евразия составляли единый материк. Такое расположение континентов сложилось к началу кайнозойской эры, т. е. около 60 млн лет назад. Изоляция материков не могла не отразиться на ходе дальнейшей эволюции животных и растений. Например, Австралия обособилась до по явления плацентарных млекопитающих и сохранила до наших дней яйцекладущих и сумчатых животных, которые на других материках были вытеснены плацентарными.
В то же время фауна и флора Евразии и Северной Америки очень сходны. Это объясняется тем, что Берингов пролив на месте перешейка возник сравнительно недавно.
Второй фактор — различие климатических условий в широтном направлении. К числу важнейших показателей, характеризующих климатические условия в данной местности, относятся температурные. Другим важным показателем служит годовое количество осадков. В зависимости от количества солнечной энергии, падающей на единицу земной поверхности, и, следовательно, температурных условий, а также от количества осадков формируются специфические сообщества растений и животных.
В высоких широтах расстилается тундра. В этой климатической зоне флора представлена лишайниками, мхами, осоками, карликовыми деревьями, кустарничками, некоторыми водорослями. Фауна бедна и включает в себя небольшое количество видов насекомых, птиц, из млекопитающих оленей, овцебыков, росомах, песцов, леммингов. Млекопитающие и птицы появляются здесь главным образом летом вследствие сезонных миграций. В среднем в высоких широтах на 100 км2 обнаруживается около 20 видов организмов, южнее, в лесотундре — 70—80 видов.
К югу от тундры располагается тайга, где хвойные (ель обыкновенная, ель сибирская, пихта сибирская) занимают огромные территории. В тайге обитает 400—500 видов на 100 км2 .
При более высокой среднегодовой температуре и большем количестве осадков развиваются леса умеренной зоны. Биоценозы этой зоны включают 600—700 видов растений и животных.
При уменьшении годового количества осадков и повышении летних температур возникает степь умеренной зоны. Основные компоненты её флоры — злаки, фауна представлена в основном грызунами и копытными. Всего около 800—900 видов на 100 км2.
Повышение среднегодовой температуры и значительное уменьшение количества осадков приводят к появлению пустыни. В районе экватора в условиях высоких среднегодовых температур и очень большом количестве осадков (в пределах 200—400 см в год) развиваются тропические леса, характеризующиеся наибольшим видовым разнообразием и самыми высокими показателями образования биомассы.
Третий фактор — изоляция. Это относится главным образом к островным популяциям. Острова заселяются видами, способными преодолеть морские просторы и зачастую попадающими туда случайно. Поэтому видовой состав обитателей островов значительно беднее, чем на континентах в тех же широтах.
Живые организмы не просто обитают в той или иной местности. Они находятся в постоянном взаимодействии друг с другом и с факторами неживой природы. Видовой состав любой местности определяется историческими и климатическими условиями, а взаимоотношения организмов друг с другом и с окружающей средой — характером их питания.
Основные отношения между организмами — пищевые. По типу питания все живые существа объединяют в две группы: автотрофы, использующие в качестве пищи неорганические соединения, и гетеротрофы, нуждающиеся в пище органического происхождения. Автотрофы — это зелёные растения и некоторые виды бактерий, гетеротрофы — большинство бактерий, грибы и все животные.
Вопросы для повторения и задания
- Расскажите, как изоляция материков отразилась на их животном и растительном мире.
- Приведите примеры, характеризующие своеобразие животного мира Австралии, Южной Америки и других континентов.
- Приведите примеры, характеризующие влияние климатических условий на формирование фауны и флоры.
- Какие природные факторы, определяющие численность видов живых организмов на той или иной территории, являются основными?
- Используя дополнительные источники информации, подготовьте сообщение или презентацию на тему «Геологическая история материков».
- Вместе с одноклассниками сделайте стенд или стенгазету «Животный и растительный мир моего родного края».
49. Биогеоценозы и биоценозы
Вспомните! • Автотрофы • Гетеротрофы • Факторы среды • Луг • Лес • Озеро • Поле пшеницы
Биогеоценоз — это устойчивое сообщество растений, животных и микроорганизмов, находящихся в постоянном взаимодействии друг с другом и с компонентами атмосферы, гидросферы и литосферы. В это сообщество поступают энергия Солнца, минеральные вещества почвы и газы атмосферы, вода, а выделяются из него теплота, кислород, диоксид углерода и другие продукты жизнедеятельности организмов. Основные функции биогеоценоза — аккумуляция и перераспределение энергии и круговорот веществ.
Биогеоценоз — целостная саморегулирующаяся и самоподдерживающаяся система. Он включает следующие обязательные компоненты: 1) климатические условия, неорганические (кислород, азот, диоксид углерода, вода, минеральные соли) и органические (белки, углеводы, липиды и др.) вещества, т. е. неживая природа; 2) автотрофные организмы продуценты органических веществ; 3) гетеротрофные организмы — потребители готовых органических веществ растительного (потребители первого порядка) и животного (потребители второго и следующих порядков) происхождения; к гетеротрофным организмам относятся и разрушители — деструкторы, которые разлагают остатки мёртвых растений и животных, превращая их в простые минеральные соединения.
Биоценозы, в отличие от биогеоценозов, включают только взаимосвязанные между собой живые организмы, обитающие в данной местности. Они характеризуются видовым разнообразием, т. е. числом видов растений и животных, образующих данный биоценоз; плотностью популяций, т. е. числом особей данного вида, отнесённым к единице площади или к единице объёма (для водных и почвенных организмов); биомассой — общим количеством живого органического вещества, выраженным в единицах массы.
Биомасса образуется в результате связывания солнечной энергии. Эффективность, с которой растения ассимилируют солнечную энергию, в разных биоценозах неодинакова. Суммарная продукция фотосинтеза называется первичной продукцией. Растительная биомасса используется потребителями первого порядка — растительноядными животными в качестве источника энергии и материала для создания биомассы. В свою очередь, эти животные служат источником энергии и материала для потребителей второго порядка — хищников и т. д. Наибольшее количество биомассы образуется в тропиках и в умеренной зоне, очень мало — в тундре и в океане. Организмы, входящие в состав биоценозов, испытывают действие факторов неживой природы (абиотических) и факторов живой природы (биотических). Рассмотрим действие этих двух групп факторов на живой организм.
Вопросы для повторения и задания
- Что такое биогеоценозы? Назовите и охарактеризуйте как можно подробнее составляющие их компоненты.
- Что такое биоценоз? Какие показатели его характеризуют?
- Что такое биомасса? В результате чего она образуется?
- Объясните, почему мы называем биогеоценозы саморегулирующимися системами.
- Как могут быть связаны обитающие в одном биоценозе белка, лось и дятел?
- Достаточно ли знать только видовой состав биогеоценоза, чтобы представить его полную характеристику? Объясните свою точку зрения.
- Изобразите схематично структуру любого хорошо вам известного биогеоценоза.
50. Абиотические факторы среды
Вспомните! • Горячие источники • Водоросли снега и льда • Миграции животных • Теневыносливые растения • Светолюбивые растения • Засухоустойчивые растения • Влаголюбивые растения • Летняя и зимняя спячка животных
Температура. Большинство видов приспособлено к довольно узкому диапазону температур. Некоторые организмы, особенно в стадии покоя, способны выдерживать очень низкие температуры. Например, микроорганизмы выдерживают охлаждение до -200 °С. Отдельные виды бактерий и водорослей могут жить и размножаться в горячих источниках при температуре +80…88 °С. Диапазон колебаний температуры в воде значительно меньше, чем на суше. Следовательно, водные организмы живут в гораздо более стабильном температурном режиме, и любые резкие изменения температуры окружающей среды для них более чувствительны, чем для организмов, обитающих на суше.
Хотя наземные организмы приспособились к значительным колебаниям температуры среды, оптимальная температура для их жизнедеятельности находится в сравнительно узких пределах: 15—30 °С.
Различают организмы с непостоянной температурой тела и организмы с постоянной температурой тела. Температура тела у первых зависит от температуры окружающей среды. Её повышение вызывает у них усиление жизненных процессов и ускорение (в известных пределах) развития. Это рыбы, амфибии, рептилии.
В природе температура непостоянна. Организмы, которые обычно подвергаются воздействию сезонных колебаний температур, что наблюдается в умеренных зонах, хуже переносят постоянную температуру. Резкие колебания температуры — сильные морозы или зной — также неблагоприятны для организмов. Различные виды живых организмов выработали приспособления для борьбы с охлаждением или перегревом. С наступлением зимы растения и животные с непостоянной температурой тела впадают в состояние зимнего покоя. Интенсивность обмена веществ у них резко снижается. При подготовке к зиме в тканях запасается много жиров и углеводов. Количество воды в клетках уменьшается, накапливаются сахара и глицерин, препятствующие замерзанию. Эти процессы развиваются постепенно, и морозостойкость зимующих организмов увеличивается в течение зимы. В жаркое время года, наоборот, включаются физиологические механизмы, защищающие от перегрева. У растений усиливается испарение воды через устьица (это приводит к снижению температуры листьев), а у животных — через дыхательную систему и кожные покровы.
В значительно меньшей степени зависят от температурных условий среды животные с постоянной температурой тела — птицы и млекопитающие. Ароморфные изменения строения (четырёхкамерное сердце и наличие одной дуги аорты, обеспечивающие полное разделение артериального и венозного кровотока, интенсивный обмен веществ благодаря снабжению тканей артериальной кровью, насыщенной кислородом, перьевой или волосяной покров тела, способствующий сохранению тепла, регуляция теплоотдачи кожными сосудами, хорошо развитая высшая нервная деятельность, особенно у млекопитающих) позволили представителям этих двух классов сохранять активность при очень резких перепадах температур и освоить практически все места обитания. Однако и у млекопитающих некоторые особенности строения связаны с температурными условиями. У мамонта, обитавшего в суровом климате, уши были невелики, а у африканского слона уши служат органом терморегуляции и достигают поэтому больших размеров (рис. 118).
Свет. Свет в форме солнечной радиации обеспечивает все жизненные процессы на Земле. Для организмов важны длина волны воспринимаемого излучения, его интенсивность и продолжительность воздействия. Ультрафиолетовые лучи с длиной волны более 0,3 мкм составляют 10% лучистой энергии, достигающей земной поверхности. В небольших дозах они необходимы животным и человеку. Под их воздействием в организме образуется витамин D. Насекомые зрительно различают ультрафиолетовые лучи и пользуются этим для ориентации на местности в облачную погоду. Наибольшее влияние на организм оказывает видимый свет с длиной волны 0,4—0,75 мкм, чья энергия составляет около 45% общего количества лучистой энергии, падающей на Землю. Он менее всего ослабляется, проходя через плотные облака и воду. Поэтому фотосинтез может идти и при пасмурной погоде, и под слоем воды определённой толщины.
Синий (0,4—0,5 мкм) и красный (0,6—0,7 мкм) свет особенно сильно поглощается хлорофиллом.
В зависимости от условий обитания растения адаптируются к тени (теневыносливые растения) или, напротив, к яркому солнцу (светолюбивые растения). К последней группе относятся хлебные злаки. Но и у светолюбивых растений увеличение интенсивности освещения сверх оптимальной подавляет фотосинтез, поэтому в тропиках трудно получить высокие урожаи культур, богатых белком.
Влияние видимого света — яркий пример того, как живые организмы используют естественную периодичность изменения среды для распределения своих функций во времени и для программирования своих жизненных циклов таким образом, чтобы использовать самые благоприятные условия. Чрезвычайно важную роль в регуляции активности живых организмов и их развития играет продолжительность воздействия света — фотопериод. В умеренных зонах, выше и ниже экватора, цикл развития растений и животных приурочен к сезонам года, и сигналом для подготовки к изменению температурных условий служит продолжительность светового дня, которая, в отличие от других сезонных факторов, в определённое время года в данном месте всегда одинакова. Фотопериод представляет собой как бы пусковой механизм, включающий физиологические процессы, последовательно приводящие к росту и цветению растений весной, плодоношению летом и сбрасыванию ими листьев осенью, а также к линьке и накоплению жира, миграции и размножению у птиц и млекопитающих, наступлению стадии покоя у насекомых. Изменение длины дня воспринимается органами зрения у животных или специальными пигментами в листьях растений.
Кроме сезонных изменений режима освещённости, смена дня и ночи определяет суточный ритм физической активности организмов, а также скорость протекания их физиологических процессов. Способность организмов ощущать время, наличие у них «биологических часов» — важное приспособление, обеспечивающее выживание особи в данных условиях среды.
Инфракрасное излучение составляет 45% от общего количества лучистой энергии, падающей на Землю. Инфракрасные лучи повышают температуру тканей растений и животных, хорошо поглощаются объектами неживой природы, в том числе водой. Так как любая поверхность, имеющая температуру выше нуля, испускает длинноволновые тепловые лучи, то растение или животное воспринимает тепловую энергию также от окружающих предметов.
Влажность. Вода — необходимый компонент клетки, поэтому количество её в тех или иных местах обитания служит ограничивающим фактором для растений и животных и определяет характер флоры и фауны в данной местности. Избыток воды в почве приводит к развитию болотной растительности. В зависимости от влажности почвы (и годового количества осадков) видовой состав растительных сообществ меняется. Широколиственные леса южнее сменяются мелколиственными, которые переходят в лесостепь. При дальнейшем повышении сухости почвы высокотравье уступает место низкотравыо, затем развивается пустынный ландшафт. Неравномерное распределение осадков по временам года также представляет собой важный ограничивающий фактор для организмов. В этом случае растениям и животным приходится переносить длительные засухи. В короткий же период увлажнения почвы происходит накопление первичной продукции для сообщества в целом. Им определяется размер годового запаса пищи для животных и сапрофагов — организмов, разлагающих органические остатки.
В природе, как правило, существуют суточные колебания влажности воздуха, которые наряду со светом и температурой регулируют активность организмов. Влажность как экологический фактор важна и тем, что изменяет реакцию организма на температурные колебания. Температура сильнее влияет на организм, если влажность очень высока или низка. Точно так же роль влажности повышается, если температура близка к пределам выносливости данного вида. Для растений и животных, обитающих в зонах с недостаточной степенью увлажнения, характерно наличие эффективных приспособлений к неблагоприятным условиям засушливости. У растений мощно развита корневая система, повышено осмотическое давление клеточного сока, способствующее удержанию воды в тканях, утолщена кутикула листа, сильно уменьшена или превращена в колючки листовая пластинка. У некоторых растений, например у саксаула, листья утрачиваются, а фотосинтез осуществляется зелёными стеблями. При отсутствии воды рост пустынных растений прекращается, в то время как влаголюбивые растения в таких условиях увядают и гибнут. Кактусы способны запасать большие количества воды в тканях и экономно её расходовать.
У пустынных животных также есть целый ряд физиологических приспособлений, позволяющих переносить недостаток воды. Мелкие животные — грызуны, пресмыкающиеся, членистоногие — извлекают воду из пищи. Источником воды служит и жир, накапливающийся у некоторых животных в больших количествах (горб у верблюдов). В жаркое время года многие животные (грызуны, черепахи) впадают в спячку, продолжающуюся несколько месяцев. К началу лета растения-эфемеры после кратковременного периода цветения сбрасывают листья, иногда у них полностью отмирают надземные части, сохраняют только луковицы и корневища до следующего вегетационного периода.
Вопросы для повторения и задания
- Что такое абиотические факторы среды? Перечислите основные абиотические факторы.
- Какую роль для жизнедеятельности организмов играют ультрафиолетовые лучи?
- Какую часть спектра видимого излучения солнца наиболее активно поглощает хлорофилл зелёных растений?
- Приведите примеры теневыносливых и светолюбивых растений, произрастающих в вашей местности.
- Докажите, что световой режим играет важную роль в жизнедеятельности организмов.
- Какие приспособления в условиях недостатка воды развиваются у растений; у животных?
- Холоднокровных животных по-другому называют пойкилотермными, а теплокровных — гомойотермными. Используя дополнительные источники информации, объясните происхождение этих терминов.
- Какое адаптивное значение имеет у животных зимняя или летняя спячка?
- Используя дополнительные источники информации, приведите примеры других абиотических факторов, действующих на живые организмы.
51. Интенсивность действия факторов среды
Вспомните! • Абиотические и биотические факторы • Онтогенез • Развитие с метаморфозом •Минеральные удобрения
Изменчивость экологических факторов. Некоторые свойства среды на протяжении длительных периодов времени остаются относительно постоянными. Таковы сила тяготения, интенсивность солнечного излучения, солевой состав океана, газовый состав и свойства атмосферы. Большинство же экологических факторов — температура, влажность, интенсивность перемещения воздушных масс — ветер, количество и частота выпадения осадков, укрытия, хищники, паразиты, конкуренты и пр. — очень изменчиво как в пространстве, так и во времени. Степень изменчивости каждого из этих факторов зависит от особенностей среды обитания. Например, температура сильно колеблется на поверхности суши, но почти постоянна на дне океана или в пещерах. Паразиты живут в условиях избытка пищи, тогда как свободноживущие хищники часто испытывают голод.
Популяции организмов, обитающие в какой-то определённой среде, приспосабливаются к этому непостоянству путём естественного отбора, у них вырабатываются те или иные морфологические и физиологические особенности, позволяющие существовать именно в этих и ни в каких других условиях. Для каждого вида существует оптимальная интенсивность действия любого фактора, называемая зоной оптимума экологического фактора (или просто его оптимумом), отклонение от которой в сторону уменьшения или увеличения угнетает жизнедеятельность данного вида. Пограничные значения фактора, за пределами которых наступает гибель организма, называют верхним и нижним пределами выносливости.
На организм одновременно влияют многочисленные и разнообразные факторы среды. По отношению к одним организмы обладают широким диапазоном выносливости и выдерживают значительные отклонения интенсивности фактора от оптимальной величины. Другие факторы могут меняться только в узком диапазоне, поскольку организмы выдерживают лишь небольшие отклонения их значений от оптимума. Например, для некоторых антарктических видов рыб, адаптированных к холоду, диапазон переносимых температур составляет всего 4 °С (от -2 до 2 °С).
С повышением температуры до О °С активность обмена веществ возрастает, но при дальнейшем её увеличении интенсивность метаболизма падает, и при 1,9 °С рыбы перестают двигаться, впадая в тепловое оцепенение. В то же время рыбы, обитающие в водоёмах пустынь, свободно переносят колебания температур в диапазоне от 10 до 40 °С. Широким диапазоном выносливости к изменениям температуры обладают животные, обитающие в высоких широтах. Так, песцы в тундре могут переносить колебания температуры в пределах 80 °С (от -55 до 30 °С). Устойчивы к холодам многие сибирские растения. Так, даурская лиственница близ Верхоянска выдерживает зимние морозы до -70 °С. Растения же тропических лесов могут существовать в достаточно узких пределах изменений температуры окружающей среды: её снижение до 5—8 °С оказывает на них губительное действие. А холодолюбивые виды зелёных и диатомовых водорослей в полярных льдах и на снежных полях высокогорий живут только при температуре около 0 °С.
По отношению к факторам среды различают виды теплолюбивые и холодолюбивые, влаго- и сухолюбивые, приспособленные к высокой или низкой солёности воды. Для водных животных большое значение имеет концентрация кислорода в воде. Некоторые виды могут существовать лишь в узких пределах колебаний содержания 02. Молодь ручьевой форели хорошо развивается при концентрации кислорода 2 мг/л; при её снижении до 1,6 мг/л вся форель гибнет. Следовательно, для форели оптимальной является максимально возможная концентрация кислорода. Другие виды рыб — сом, карп, обитающие в застойных водах, хорошо переносят низкое содержание 02.
Разнится отношение организмов и к содержанию в среде химических элементов. Например, клевер растёт на бедных азотом почвах. Крапива же поселяется только на почвах, богатых азотом: под деревьями в местах массового гнездования птиц, в местах скопления пищевых отходов или навоза.
На разных этапах онтогенеза организмы могут проявлять неодинаковую выносливость к тому или иному фактору. Например, у бабочки мельничной огнёвки — одного из вредителей муки и зерновых продуктов — критическая минимальная температура для гусениц — 7 °С, для взрослых форм -22, а для яиц — 27 °С. Мороз в -10 °С погубит гусениц, но не принесёт вреда яйцам и взрослым формам.
Организмы с большим диапазоном выносливости ко всем факторам среды распространены более широко.
Взаимодействие факторов среды. Ограничивающий фактор. Отклонение интенсивности одного какого-либо фактора от оптимальной величины может снизить выносливость к другому фактору. Так, например, при уменьшении количества азота в почве снижается засухоустойчивость злаков.
Фактор, наиболее удалённый от своего оптимума, называют ограничивающим, поскольку он делает невозможным процветание вида в данных условиях. Впервые на существование ограничивающих факторов указал немецкий химик Ю. Либих (1803–1873). Природа этих факторов неодинакова: нехватка химического элемента в почве, недостаток тепла или влаги. Ограничивающими распространение факторами могут быть и биотические отношения: занятие территории более сильным конкурентом или недостаток опылителей для растений.
Многие факторы становятся ограничивающими в период размножения. Пределы выносливости для семян, яиц, эмбрионов, личинок обычно уже, чем для взрослых растений и животных. Например, многие крабы могут заходить в реки далеко вверх по течению, но их личинки в речной воде развиваться не могут, и это кладёт предел распространению вида. Ареал промысловых птиц часто определяется влиянием климата на яйца или птенцов, а не на взрослых особей.
Выявление ограничивающих факторов имеет практическое значение. Так, пшеница плохо растёт на кислых почвах, а внесение в почву извести позволяет повысить урожайность.
Вопросы для повторения и задания
- Как называют благоприятную для организмов интенсивность действия фактора внешней среды?
- Что называют пределами выносливости и что определяет их величину?
- Какой фактор называют ограничивающим? Почему он получил такое название?
- Как меняется выносливость организмов к действию экологических факторов на разных стадиях онтогенеза?
- Попробуйте графически изобразить действие любого экологического фактора на живой организм.
- На примере известных вам растений и животных опишите возможные пределы их устойчивости к факторам внешней среды.
- Обсудите в классе, какие живые организмы, обитающие в вашем регионе, имеют широкий диапазон выносливости к большинству абиотических факторов.
Смотрите продолжение Главы 16:
52. Биотические факторы среды. Типы связей между организмами в биоценозе
53. Биотические факторы среды. Взаимоотношения между организмами
ОГЛАВЛЕНИЕ вернуться к списку конспектов
Биология 9 класс. Общие закономерности (Мамонтов). Глава 16. Биосфера, её структура и функции. Раздел 5. Взаимоотношения организма и среды. Основы экологии. Электронная версия. Цитаты использованы в учебных целях.